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德州儀器五大電源管理趨勢,滿足未來工業的電源傳輸需求

本文作者:德州儀器       點擊: 2018-08-15 10:16
前言:
 全球能源用量大幅增加,在資料中心、車用電子、工業等眾多應用之下,電力消費支出已直逼石油產品開銷。為因應這些趨勢,電源產品的設計人員大量運用半導體解決方案,尋求各種創新電源管理技術,以維持競爭力,同時遵守環保相關能源法規。
 
針對2018年能源發展趨勢與挑戰,德州儀器(TI)於以下提出五大要點與其相對應的電源解決方案,包括工業自動化、能源效率、功率密度、分散式與再生能源、大數據儲存與傳輸,且預測這些趨勢將左右產業發展至 2020 年。
 
德州儀器工業系統解決方案應用孔令梅經理表示,「德州儀器擁有豐富、創新的工業電源產品組合,提供設計人員採用多樣的電源管理技術,幫助解決難題。同時,我們也積極在碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)上發展技術突破,持續推出創新參考設計,為開發人員在工廠電源傳輸設備、UPS、通訊與伺服器電源、DC/DC 設備、無人機電池組等應用創造突破,開發高能效、高功率密度且具競爭性的電源解決方案。」
 

一、工業自動化
工業自動化能夠提升產能及製造效率,但安全疑慮也隨之而來,自動化工廠內常設有沉重又龐大的機器設備,需要高電壓操作,為工廠操作員帶來困難與危險。
 
此時,採用隔離技術可讓感測節點和操作員在高電壓環境下,仍能有效且安全地工作,是實現工業自動化的一大關鍵。當設計人員採用 ISOW7841 等裝置時,便能獲得這項保障。想像將較低的功率傳輸至各項感測系統,同時保護操作員,即使在只有不到一枚硬幣的距離下,也不會接觸到比一般家庭用電高60倍的電壓。
 
二、能源效率
預估至 2020 年,資料中心的年耗電量將突破 730 億度,相當於超過千萬戶的家庭用電,資料中心存放的資料愈多,冷卻所需的能源便愈高,對電網造成的負擔也會愈大。
 
美國能源部指出,若實施額外節能策略,用電需求便可降低 45%,只要善用新策略與科技,降低損耗及增進效能,就能壓低資料中心的能源需求。
 
提升能源效率後,可在兩項應用領域內節能,包括減少資料中心傳輸時所需的能源,以及降低伺服器整體冷卻的用電需求,從最上游的伺服器能源傳輸架構,到最下游的負載點拓撲技術,創新機會俯拾即是。
 
共振與混合式 DC/DC 變壓器等新技術,具備尺寸縮小、效能提升、升溫減少等優點,同時結合演算法,便可減少系統閒置時所需耗費的電力,並加速恢復運作所需的時間,更接近美國能源部節能 45% 的目標。
 
整體而言,伺服器系統受限於能源轉換步驟的多寡,在投資直接轉換技術後,可讓過去看似無法實現的能源傳輸架構成真,若能省略三個轉換步驟,便可讓 400 瓦 DC 直接傳輸至 CPU。電源管理及半導體的創新都有可能造就此類破壞式策略。
 
三、功率密度
供電系統的功率密度雖有改善,但成長幅度卻不如摩爾定律快速;而隨著半導體技術導致功能增加後,也帶動能源需求提升。例如手機在全球快速普及,在許多方面都歸功於鋰離子電池技術,讓手機即使功能愈來愈多,電池續航力仍足以維持整天的運作。
 
在電池容量與效能成長之際,充電器的進展卻落後於趨勢。想像一台功能完善的智慧型手機,雖能夠全日運作,卻得花整個夜晚來充電,故功率密度是增進使用者體驗的關鍵。
 
TI大舉投資功率密度技術,最新UCC28780主動鉗位反馳式控制器可在高達1MHz的頻率下實現高效運行、尺寸縮小50%、功率密度提高一倍,提升工業級手持設備的效率。
 
四、分散式與再生能源
全球對於提高發電與配送能源的需求顯而易見,難處在於能源的轉換,以及如何以最高效能處理各種能源來源。而氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)均提供了這項潛能,能夠以高電壓、高效能、小尺寸運作。
 
氮化鎵與碳化矽雖然至今應用有限,但確實達到前所未見的效能與密度,電壓範圍亦可支援分散式與再生能源。
 
這些技術若想從原型開發進入大規模普及,TI認為重點是在封裝內整合閘極驅動器。 利用LMG3410,我們可看到閘極驅動器若與裝置距離相近,可達到其所需的效能與可製造性,讓這些科技進入下一階段。
 
五、大數據儲存與傳輸
全球對快速存取資料的需求與日俱增,儲存與取得資料所需的能源也隨之攀升,如何管控相關成本及對環境所造成的影響將成為一大挑戰。
 
雲端儲存在過去幾年突飛猛進,消費者比以往上傳儲存更多的資訊在雲端。然而,每項資料轉換都需要能源,從拍攝家庭影片、上傳至雲端儲存、之後再次取用。電源管理解決方案若能達到主動模式最高效能、休眠模式低能耗、超快甦醒速度,半導體就能以最低能耗完成上述動作。
 
TI致力於研發創新技術,因應這些趨勢所帶來的機會與挑戰,期待透過種種創新,協助客戶化解電源及能源管理難題。